面向煤礦安全的智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

煤礦安全關(guān)系到礦工的人身安全，煤礦安全問題是工業(yè)生產(chǎn)一直關(guān)注的重點(diǎn)問題。煤礦開采多為地下工作，面臨著光線差、有毒氣體易超標(biāo)、頂部壓力大易塌方、粉塵濃度大、空氣潮濕、區(qū)域狹小易變形等多種危險(xiǎn)問題，如何進(jìn)行安全開采受到社會(huì)各界的關(guān)注。應(yīng)用于煤礦井下的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及對(duì)井下實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行危險(xiǎn)度分析的預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全的重要輔助手段。

針對(duì)煤礦井下生產(chǎn)面臨的易爆、易腐蝕、事故多發(fā)、現(xiàn)有監(jiān)控死角較多的情況，本文系統(tǒng)借助最新的信息化技術(shù)，從煤礦井下安全出發(fā)，將基于 ZigBee 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和有線傳輸相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的分析處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)分析，并在多種平臺(tái)的終端上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

1 智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下實(shí)時(shí)環(huán)境的多參數(shù)檢測(cè)， 實(shí)時(shí)監(jiān)控采集過程，有毒氣體超標(biāo)實(shí)時(shí)報(bào)警，采用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)多種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，并將分析結(jié)果以人性化的方式在移動(dòng)終端及 PC 機(jī)上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。當(dāng)分析結(jié)果超過預(yù)定值時(shí)，則報(bào)警。此外，系統(tǒng)具有反向控制功能，根據(jù)分析結(jié)果可以控制相應(yīng)的設(shè)備工作， 當(dāng)溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊瘸^額定值時(shí)，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行安全預(yù)防。礦井下智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成可將系統(tǒng)分為三部分，即井下基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，井上由網(wǎng)關(guān)、任務(wù)管理器及服務(wù)器構(gòu)成的 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)，通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)在智能終端及 PC上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)的 Internet 網(wǎng)絡(luò)。由數(shù)據(jù)備份中心進(jìn)行數(shù)據(jù)備份， 由數(shù)據(jù)處理中心對(duì)多種傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

1.1 井下基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于井下環(huán)境惡劣、濕度較大，若在井下采用有線網(wǎng)絡(luò)， 線路易腐蝕及折斷。ZigBee 作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型關(guān)鍵技術(shù)[1]，具有低成本、高穩(wěn)定性、易擴(kuò)展、易布置、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、檢測(cè)有死角的監(jiān)控領(lǐng)域。所以本文系統(tǒng)在井下采用基于 ZigBee 的無(wú)線傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用環(huán)形網(wǎng)以及星型網(wǎng)，傳感器終端節(jié)點(diǎn)自組織快速形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

1.2 井上 Ethernet網(wǎng)絡(luò)及 Internet網(wǎng)絡(luò)

FFD 設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳路由后傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)， 在井上部分采用有線傳輸方式，匯聚節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給任務(wù)管理器，任務(wù)管理器具備一定的存儲(chǔ)計(jì)算能力。本文系統(tǒng)針對(duì)大型礦井采集數(shù)據(jù)量較大，需進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)分析并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，特在本文系統(tǒng)中通過服務(wù)器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作及程序運(yùn)行。

對(duì)于信息量較大且具有保存價(jià)值的數(shù)據(jù)，可通過互聯(lián)網(wǎng)將其上傳到數(shù)據(jù)備份中心進(jìn)行備份存儲(chǔ)。對(duì)于關(guān)聯(lián)分析給出的可視化結(jié)果，可通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等發(fā)送給遠(yuǎn)程觀測(cè)的智能終端及 PC 端。反向控制部分操作可由服務(wù)器程序自動(dòng)進(jìn)行，部分操作可通過遠(yuǎn)程終端人為控制，或通過與井下工作人員的通信手動(dòng)控制。

2 基于 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

基于 ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)以及任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)組成 [2]。終端節(jié)點(diǎn)由影響煤礦井下安全因素的相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過多種類型的傳感器對(duì)煤礦井下的瓦斯、煙霧、CO、溫度、濕度、粉塵、風(fēng)速、頂板壓力等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。終端節(jié)點(diǎn)的布置包括放置于固定檢測(cè)點(diǎn)的固定節(jié)點(diǎn)，以及置于井下工作人員頭燈上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。鑒于井下環(huán)境惡劣，傳感器易損壞，區(qū)域狹小， 節(jié)點(diǎn)易更換的情況，無(wú)需過多考慮節(jié)點(diǎn)能耗問題，所以本文系統(tǒng)全部采用具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的 FFD 全功能設(shè)備，不再使用RFD。ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)采用 CC2530 片上系統(tǒng) [3]，底層基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層可基于 TI 公司的 Z-Stack 開發(fā)。CC2530 是 CC2430 的升級(jí)版，在 FLASH 大小、MAC 定時(shí)器信道及大小、封裝尺寸、可操作溫度等方面都有所提升，可 與 8051 單片機(jī)兼容，能以低廉的成本快速構(gòu)建強(qiáng)壯的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有系統(tǒng)可編程的 256 B 閃存、8 kB RAM、8 通 道 ADC 以及 21 個(gè) GPIO 口。只需要一個(gè)晶振就可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)要求，且自身功耗低，方便接入多個(gè)傳感器及外圍電路。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖 3 所示。匯聚節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)收集及轉(zhuǎn)發(fā)功能。本文系統(tǒng)采用有線通信和無(wú)線通相結(jié)合的方式，體現(xiàn)在匯聚節(jié)點(diǎn)的通信模塊上，是井上、井下網(wǎng)絡(luò)的銜接點(diǎn)，與井下傳感器構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與井上設(shè)備構(gòu)成井上以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。處理器使用 Silicon Labs 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的C8051F126，其具有 50 MIPS 的 CPU，12 位 ADC，片內(nèi)集成 JTAG，集成度高，可便捷地進(jìn)行在線調(diào)試。

                                                                                                                                                                    圖 3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3 智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心首先將采集到的原始數(shù)據(jù)寫入原始數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分離，得到 CO，CH4，粉塵，溫度，濕度等實(shí)時(shí)傳感值；然后通過特定的最小支持度與置信度支持尋找最大的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)頻繁集，進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘 ；再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的安全報(bào)警值，對(duì)礦井下的實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)， 得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

監(jiān)控軟件安裝于 PC 端及智能終端。PC 端具有對(duì)關(guān)聯(lián)分析結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，繪制分離得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出，顯示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)位置 [4]，及時(shí)通知救援等功能，并可輸出響應(yīng)指令對(duì)負(fù)載設(shè)備進(jìn)行控制操作。PC 端監(jiān)控功能如圖 4 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

從礦井安全生產(chǎn)出發(fā)，本文提出了一種智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方面可分為基于 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、井上 Ethernet網(wǎng)絡(luò)和井上 Internet網(wǎng)絡(luò) ；從通信角度考慮，可分為井下無(wú)線通信和井上有線通信。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，將結(jié)果以人性化方式呈現(xiàn)在 PC端及智能終端， 監(jiān)控側(cè)可向負(fù)載設(shè)備發(fā)出控制指令。